周 游，范屹帆，吳 寅

(南京林業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210037)

0 引言

活立木是指林地中生長的樹木，同時(shí)也包括不成林的散生木?；盍⒛镜臉鋭?shì)是判斷活立木生長狀況的綜合指標(biāo)，樹勢(shì)的好壞反映了營養(yǎng)生長和生殖生長之間的關(guān)系，同時(shí)也體現(xiàn)著林業(yè)技術(shù)管理水平和林地種植試驗(yàn)處理的效應(yīng)。在科研和生產(chǎn)中，活立木樹勢(shì)的研究有著重要的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[1]。我國是世界上人工林保存面積最大的國家，這些森林資源給我國帶來巨大的經(jīng)濟(jì)收益和生態(tài)效益，森林不僅提供人們正常生活所需的基礎(chǔ)資源，還在保護(hù)物種多樣性、生態(tài)多樣性及維護(hù)區(qū)域生態(tài)平衡等方面起著至關(guān)重要的作用[2]。

通過外觀判斷樹勢(shì)，方法簡便，經(jīng)常使用于野外調(diào)查和林業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐，但其準(zhǔn)確性和時(shí)效性均較差。特別是當(dāng)觀察到樹木的病癥病狀后，往往已經(jīng)錯(cuò)過了防治的最佳時(shí)期。

通過生理生化指標(biāo)進(jìn)行診斷，可以迅速發(fā)現(xiàn)樹木的異常變化。但由于測定儀器的專業(yè)化和測定手段的復(fù)雜性，阻礙了該方法在林業(yè)生產(chǎn)和野外調(diào)查的推廣。

因此，找到一種既簡便，又快速準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)樹木樹勢(shì)的方法，是擺在林業(yè)工作者面前的一個(gè)重要課題。而樹木電特性為快速高效診斷樹木樹勢(shì)提供了新的發(fā)展思路。

Piene等人[3]研究了落葉和健康香脂冷杉的電阻，發(fā)現(xiàn)落葉樹木的電阻值顯著高于健康樹木。宋蟄存、林迎忠等人[4]對(duì)細(xì)胞組織的生物電學(xué)特性進(jìn)行了非常有價(jià)值的研究和分析。他們研究了不同細(xì)胞活性在不同木材含水率下的電學(xué)特性，并將細(xì)胞膜、細(xì)胞外液、細(xì)胞內(nèi)液等效為一段電路進(jìn)行了電路分析。他們認(rèn)為細(xì)胞膜具有的雙重電學(xué)特性，即阻抗和電容二性，在不同的外界刺激下會(huì)得到不同的測量效果，當(dāng)細(xì)胞死亡后，這種雙重電學(xué)特性就會(huì)消失。高保山、董燕南等人[5]通過對(duì)樹木極化電容和電阻特性的研究，并從熱力學(xué)角度對(duì)樹木的長勢(shì)進(jìn)行了解釋，認(rèn)為樹木生物電特性為客觀了解和掌握樹木現(xiàn)時(shí)的生長狀態(tài)和發(fā)展前景提供了科學(xué)的依據(jù)和辦法。研究指出樹木電阻與高生長量、直徑生長量、材積生長量、韌皮部含水率等多種因素成負(fù)相關(guān)，樹木長勢(shì)越好電阻越小，并從熱力學(xué)熵角度對(duì)此做出了解釋，最后指出樹體電容與電阻的關(guān)系，即電容越大，電阻越小。雖然文章著重進(jìn)行理論推導(dǎo)缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，但其電容與電阻成負(fù)相關(guān)的推論與Piene等的試驗(yàn)結(jié)果一致。

因此對(duì)活立木的阻抗進(jìn)行監(jiān)測可以反映出活立木的健康狀態(tài)，方便林地管理者實(shí)時(shí)地判斷木材的好壞，以此作出相應(yīng)養(yǎng)護(hù)方案，極大便利了對(duì)珍稀木種的監(jiān)測保護(hù)。

為了節(jié)省測量的人力成本，實(shí)時(shí)性大規(guī)模地測量樹木的阻抗，引入了LoRa無線組網(wǎng)傳輸+傳感器的方案， LoRa無線通信技術(shù)傳輸距離較遠(yuǎn)、功耗與成本較低，在錯(cuò)綜復(fù)雜的林地環(huán)境中，也能有效布置監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，節(jié)省人力成本，同時(shí)，LoRa可以大規(guī)模組網(wǎng)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集可供管理者第一時(shí)間做出應(yīng)對(duì)方案。

本文結(jié)合STM32設(shè)計(jì)了一套基于LoRa的活立木阻抗測量系統(tǒng)，利用AD5933和SX1276芯片，使用卡爾曼濾波，對(duì)樹林中的活立木阻抗進(jìn)行測量，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)測活立木的健康狀態(tài)，系統(tǒng)相較于目前國際先進(jìn)的阻抗測試儀器TH2828S與德國IML-PD系列阻抗傳統(tǒng)儀，具有成本低、測量不需人力、節(jié)點(diǎn)安裝、維護(hù)簡單、測量實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)也避免了人為手持設(shè)備測量時(shí)的操作不規(guī)范而導(dǎo)致的測量數(shù)據(jù)誤差。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

基于LoRa的活立木健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先通過阻抗測量模塊采集信號(hào)進(jìn)行阻抗測量，對(duì)測得的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并通過MCU進(jìn)行預(yù)處理、濾波、遠(yuǎn)程發(fā)送等工作，上位機(jī)遠(yuǎn)程接收處理數(shù)據(jù)后得出實(shí)時(shí)活立木健康狀況。

經(jīng)對(duì)比確定整體遠(yuǎn)程測量系統(tǒng)的硬件的組成。選擇著名高性能模擬、混合信號(hào)和數(shù)字信號(hào)處理(DSP)集成電路(IC)設(shè)計(jì)、制造的公司亞德諾(ADI)的AD5933進(jìn)行阻抗的測量，將測試得到的模擬量，通過MCU—STM32F103ZET6進(jìn)行預(yù)處理，中值濾波后，再通過串口控制基于SX1276的LoRa模塊將阻抗測量信號(hào)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)到上位機(jī)，上位機(jī)處理數(shù)據(jù)，并通報(bào)實(shí)時(shí)狀態(tài)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體流程如圖1所示。

圖1 基于LoRa的活立木健康監(jiān)測系統(tǒng)流程

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)分為數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收端兩部分。數(shù)據(jù)采集端的硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。該采集設(shè)備安裝在活立木樹干上，硬件設(shè)備主體由STM32F103微處理器、阻抗測量模塊、LoRa模塊和電源管理模塊組成。阻抗測量模塊用來采集活立木生長期間的阻抗值，LoRa用來收發(fā)這些數(shù)據(jù)。接收端的硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集端圖

圖3 數(shù)據(jù)接收端圖

LoRa網(wǎng)關(guān)接收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)的數(shù)據(jù)處理軟件，軟件經(jīng)過相應(yīng)的處理并最終顯示。

2.1 微處理器

本設(shè)計(jì)選取MCU(STMicroelectronics公司的STM32103VET6芯片)作為核心控制單元。該芯片是基于32 bit的Cortex-M3的CPU。系統(tǒng)頻率最高可達(dá)72 MHz。

2.2 LoRa模塊與組網(wǎng)

LoRa技術(shù)是一種以帶寬換靈敏度的擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)[6],實(shí)驗(yàn)選用470 MHz的LoRa信號(hào)，節(jié)點(diǎn)模塊采用SX1276芯片，網(wǎng)關(guān)采用SX1301芯片，均采用單片機(jī)spi進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。由表1可知，LoRa相對(duì)于其他傳輸方式，最顯著的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度更高、傳輸距離更遠(yuǎn)、信號(hào)更強(qiáng)，能夠更好地應(yīng)用在環(huán)境復(fù)雜的混交林場景。節(jié)點(diǎn)的布局如圖4所示，采用星型網(wǎng)組網(wǎng)、一個(gè)主網(wǎng)關(guān)、多個(gè)采集結(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜唵危阌诩锌刂?，易于維護(hù)和安裝，任意采集節(jié)點(diǎn)的損壞不會(huì)影響其他采集結(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)可靠性強(qiáng)。

表1 常用的無線傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)比

圖4 節(jié)點(diǎn)布局示意圖

2.3 阻抗測量部分

阻抗(Impedance)是每個(gè)材料和物質(zhì)與生俱來的一種屬性[7]。阻抗測量模塊以阻抗測試芯片AD5933為測量核心[8]，AD5933芯片是一款精度較高的阻抗轉(zhuǎn)換芯片，片上集成12位，1 MSPS的ADC轉(zhuǎn)換器與頻率集成發(fā)生器。

利用頻率發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)來激勵(lì)外部復(fù)阻抗，外部阻抗的響應(yīng)信號(hào)由片上的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，然后由片上DSP進(jìn)行離散傅里葉變化處理。離散傅里葉算法在每個(gè)頻率上返回一個(gè)實(shí)部(R)和一個(gè)虛部(i)，利用返回的值計(jì)算得到阻抗值。

2.3.1 AD5933組成部分

芯片通過串行IIC接口與MCU連接，校準(zhǔn)之后進(jìn)行測量，可以得到各掃描頻點(diǎn)的阻抗幅度和相位。芯片的組成如圖5所示。

圖5 阻抗測量模塊

2.3.2 AD5933電路設(shè)計(jì)

如圖6所示，阻抗測量電路包括電源設(shè)計(jì)，系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)三部分。

圖6 AD5933電路設(shè)計(jì)圖

(1) 電源設(shè)計(jì)

采用基準(zhǔn)電壓源REF3033給AD5933供電，再分別通過兩個(gè)接地的電容實(shí)現(xiàn)輸入電源的濾波。REF3033輸出電壓3.3 V，精度±2%，輸出電流25 mA。REF3033 輸出電流較大，不僅提供ADC的基準(zhǔn)電源，還提供DDS的模擬電源，以保證激勵(lì)、采樣信號(hào)的精度和降低信噪比。

(2) 系統(tǒng)時(shí)鐘

本阻抗測量儀選用16.384 MHz的外部晶振，作為AD5933的系統(tǒng)主時(shí)鐘MCLK，可獲得頻率為整數(shù)的測量點(diǎn)。AD5933完成一次A/D轉(zhuǎn)換需要16個(gè)時(shí)鐘周期，一次DFT運(yùn)算需要1 024個(gè)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，因此激勵(lì)信號(hào)頻率應(yīng)選擇MCLK,16.384分頻的整數(shù)倍。如果激勵(lì)信號(hào)頻率滿足這個(gè)條件，那么在DFT變換中恰好有整數(shù)個(gè)激勵(lì)波形，不會(huì)發(fā)生頻譜泄漏，否則測量結(jié)果不準(zhǔn)確。當(dāng)MCLK為16.384 MHz時(shí)，激勵(lì)信號(hào)頻率可為1 kHz、2 kHz、3 kHz、…、100 kHz[9]。

(3) 校準(zhǔn)電路

如圖7所示，為了優(yōu)化設(shè)備測量時(shí)的測量精度，在反饋電阻后級(jí)根據(jù)待測阻抗值的范圍，設(shè)備選擇了阻值分別為100 Ω、1 kΩ、10 kΩ、33 kΩ、100 kΩ、1 MΩ、3.3 MΩ和 9.1 MΩ阻值的校準(zhǔn)電阻，使用一個(gè)多路復(fù)用器 ADG1608來完成校準(zhǔn)的功能。

圖7 校準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)圖

2.3.3 阻抗計(jì)算

① 幅度計(jì)算

每個(gè)頻率點(diǎn)的阻抗計(jì)算的第一個(gè)步驟就是計(jì)算這個(gè)頻率點(diǎn)的DFT幅度。DFT幅度的計(jì)算公式為：

(1)

式中，R為寄存器返回的實(shí)數(shù)的值，I為寄存器返回的虛數(shù)的值。

② 增益系數(shù)計(jì)算

增益系數(shù)通過測量已知的校準(zhǔn)電阻后得到，計(jì)算公式為：

(2)

③ 阻抗計(jì)算

通過校準(zhǔn)得來的增益系數(shù)和測量的該頻點(diǎn)的幅度，可以得到該頻點(diǎn)的阻抗值，計(jì)算公式為：

(3)

3 算法與軟件設(shè)計(jì)

算法和軟件設(shè)計(jì)包括下位機(jī)和上位機(jī)的算法和軟件設(shè)計(jì)，主要包括測量時(shí)的量程切換算法和測量值的濾波算法設(shè)計(jì)和上位機(jī)顯示界面的設(shè)計(jì)。

3.1 自動(dòng)量程切換算法

如圖8所示，系統(tǒng)通過選擇不同反饋電阻實(shí)現(xiàn)不同量程切換。量程切換算法步驟如下：

圖8 自動(dòng)量程切換算法流程

① 開啟通道 1，使反饋電阻的阻值最小，并向AD5933發(fā)出測量指令；

② 讀取AD5933測量的虛部i實(shí)部值R，計(jì)算對(duì)應(yīng)的幅度值。

③ 計(jì)算幅度值A(chǔ)對(duì)應(yīng)的量程區(qū)間K[10];

④ 開啟通道N，向AD5933發(fā)出測量指令；

⑤ 讀取AD5933的測量值，計(jì)算幅度值A(chǔ);

⑥ 判斷A是否處于區(qū)間K，若是，結(jié)束量程切換，否則將K放置在與A對(duì)應(yīng)的區(qū)間，返回步驟④。

3.2 均值濾波

均值濾波是一項(xiàng)空間域平滑技術(shù)，屬于典型的線性濾波算法[11]。每個(gè)通道采樣30次，經(jīng)過節(jié)點(diǎn)單片機(jī)存儲(chǔ)并且通過均值濾波后發(fā)送給終端，濾波公式如下：

(4)

式中，i取1～32的任意常數(shù)。

3.3 卡爾曼濾波算法

為確保測量值的精確度，對(duì)同一個(gè)通道反復(fù)測量50次，并將測量的值通過上位機(jī)進(jìn)行卡爾曼濾波算法進(jìn)行校準(zhǔn)，以此得到更精確的測量值。

3.3.1 卡爾曼算法建立

卡爾曼濾波是根據(jù)過去的信號(hào),利用統(tǒng)計(jì)估計(jì)理論,使用線性最小均方誤差作為最優(yōu)準(zhǔn)則,預(yù)測將來某個(gè)時(shí)刻的值，從而預(yù)測下一個(gè)采樣時(shí)刻的數(shù)據(jù)[12]。由于只有一個(gè)變量，只需要一維的卡爾曼濾波即可?？柭鼮V波分為預(yù)測過程和更新過程[13]，預(yù)測過程的方程為：

(5)

更新方程如下：

(6)

式中，gk為卡爾曼增益系數(shù)，h為縮放系數(shù)，Zk為測量值，R是測量噪聲uk-1的平均值。

3.3.2 建立卡爾曼濾波算法模型

把樹木看成一個(gè)系統(tǒng)，阻抗值和前一時(shí)刻的阻抗值是相同的，所以A=1，沒有相關(guān)控制量，所以u(píng)k-1=0。因此得出：

x(k|k-1)=x(k-1|k-1)，

P(k|k-1)=P(k-1|k-1)+Q，

(7)

因?yàn)闇y量值是AD5933直接得出的，所以跟阻抗直接對(duì)應(yīng)，即h=1，因此得出：

x(k|k)=x(k|k-1)+gk(Zk-x(k|k-1))，

P(k|k)=(1-gk)P(k|k-1)。

(8)

3.4 軟件設(shè)計(jì)

3.4.1 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一套適用于系統(tǒng)的通信協(xié)議十分必要，通信協(xié)議的設(shè)計(jì)需要考慮上位機(jī)和下位機(jī)的處理能力，通信雙方的數(shù)據(jù)類型，還需考慮未來可能會(huì)新增的功能。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式如表2所示。

表2 通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式

3.4.2 主程序設(shè)計(jì)

主程序設(shè)計(jì)分別為從機(jī)程序和主機(jī)程序。從機(jī)MCU通過IIC總線讀取AD5933的數(shù)據(jù)，通過運(yùn)算得到阻抗值，再均值濾波后通過SX1267發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，從機(jī)端的程序流程圖如圖9(a)所示，網(wǎng)關(guān)獲取數(shù)據(jù)后發(fā)送給主機(jī)，主機(jī)軟件獲取后通過卡爾曼濾波得到最終的阻抗值，主機(jī)端的程序流程如圖9(b)所示。

(a) 從機(jī)軟件運(yùn)行流程

3.4.3 上位機(jī)App設(shè)計(jì)

使用Matlab 2022a的AppDesigner進(jìn)行界面的開發(fā)，無需再設(shè)計(jì)界面接口；它旨在順應(yīng)Web的潮流，以更加簡便的操作來設(shè)計(jì)更加美觀的圖形用戶接口 (Graphical User Interface, GUI)[14]，開發(fā)主要工作在預(yù)設(shè)組件屬性編輯及調(diào)試回調(diào)函數(shù)；App完成效果可視化，設(shè)計(jì)過程中可在線調(diào)試，易用性優(yōu)于GUI。實(shí)現(xiàn)效果如圖10所示。

圖10 上位機(jī)App界面

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)介紹

將設(shè)備捆綁在樹干上，阻抗測量探頭透過樹皮插入木質(zhì)部，將設(shè)備高度調(diào)至1.5～2 m的高度，實(shí)驗(yàn)表明，此高度范圍傳輸數(shù)據(jù)的無線電波損耗，RSSI的值最低，更有利于信號(hào)的傳播[15]。通過上位機(jī)發(fā)送測量指令，每個(gè)設(shè)備最多可以測量32個(gè)通道，最少可以測量8個(gè)通道，選擇需要測量的通道數(shù)，發(fā)送測試指令，通過LoRa傳輸給采集節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)接收到指令，開始解析指令，并進(jìn)行相應(yīng)地測量操作，待測量結(jié)束，節(jié)點(diǎn)通過LoRa自動(dòng)返回?cái)?shù)據(jù)給終端節(jié)點(diǎn)。

在林中每隔5 m，選取一個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，一共選擇20棵長勢(shì)不同的活立木，按照上述的措施安裝好設(shè)備，組網(wǎng)成功后，通過上位機(jī)挨個(gè)選取樹木，進(jìn)行測量并記錄下測量結(jié)果。與此同時(shí)，利用專業(yè)阻抗測量設(shè)備TH2828S在相同的位置進(jìn)行測量，得到相應(yīng)的阻抗值。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將基于LoRa的阻抗測量設(shè)備測得的不同活立木的阻抗值，與專業(yè)阻抗測量設(shè)備TH2828S測量的值進(jìn)行比較。TH2828S是采用當(dāng)前國際先進(jìn)的自動(dòng)平衡電橋原理研制成功的新一代阻抗測試儀器，其基本測量精度可達(dá)0.05%，其卓越的性能可以實(shí)現(xiàn)商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和特殊標(biāo)準(zhǔn)，如iec和mil標(biāo)準(zhǔn)的各種測試。比較二者之間的誤差值，得到的結(jié)果如表3所示。

表3 阻抗測量結(jié)果

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析得到圖11，圖中描述了基于LoRa的阻抗測量設(shè)備測得的值與TH2828S測得的值之間的誤差。每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)有一個(gè)阻抗測量儀測試值和TH2828S測試值，兩組值之間距離即為誤差值，圖像表明，阻抗值越小，測量的誤差就越小，整體的誤差范圍在合理區(qū)間，保持在0.5%以內(nèi)，即本系統(tǒng)測試精度可達(dá)到(0.05±0.000 25)%。

圖11 數(shù)據(jù)誤差分析

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)利用AD5933測得活立木的阻抗數(shù)據(jù)，采用LoRa對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程的收發(fā)，通過卡爾曼濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，并在上位機(jī)App上實(shí)時(shí)顯示。通過對(duì)活立木阻抗進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)監(jiān)測，對(duì)提高林業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中樹木長勢(shì)的健康監(jiān)測效率具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。相較于市場主流的活立木阻抗測試儀，阻抗測量結(jié)果精度較高，誤差范圍控制在0.5%內(nèi)；增加了遠(yuǎn)程操作和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽O(shè)備更加小巧輕便，采集數(shù)據(jù)收發(fā)實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，收發(fā)過程基本無丟包，穩(wěn)定性高，使用覆蓋范圍可達(dá)2 km，效果良好，且系統(tǒng)成本較為低廉，可以廣泛應(yīng)用于林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中，有效地節(jié)省人力、物力成本。下一步將利用算法把活立木阻抗和活立木的健康狀態(tài)進(jìn)行結(jié)合計(jì)算參數(shù)指標(biāo)。